Китайские ученые доказали, что внутреннее ядро Земли существует в суперионном состоянии — проявляет свойства твердого тела и жидкости одновременно. Так получается из-за того, что железо в ядре твердое, но не очень плотное. Из-за этого между его атомами могут существовать более легкие элементы, такие как водород, углерод и кислород. Они и ведут себя как жидкости, обнаружили исследователи. Работа опубликована в журнале Nature.
Суперионное состояние — это особое промежуточное состояние материи, которое показывает и свойства твердого вещества, и свойства жидкого. Это явление часто встречается в недрах планет. И как выяснили китайские ученые, ядро Земли также существует в суперионном состоянии.
Ядро Земли — центральная и наиболее глубокая часть нашей планеты. Она располагается под мантией и обладает чрезвычайно высоким давлением и температурой. Ядро состоит из твердой внутренней части радиусом около 1300 км и жидкой внешней с толщиной около 2200 км. Внутреннее ядро образуется в результате пограничного затвердевания железа. Само по себе внутреннее ядро менее плотное, чем чистое железо. Поэтому ученые давно предполагали, что в нем содержатся и более легкие элементы.
Чтобы доказать наличие суперионного состояния в земном ядре, китайские ученые использовали вычислительное моделирование, основанное на теории квантовой механики. Оно показало, что некоторые сплавы железа с более легкими элементами могут переходить в суперионное состояние в условиях, характерных для внутреннего ядра. Это сплавы железо — кислород, железо — углерод и железо — водород.
В суперионных сплавах железа легкие элементы (водород, углерод и кислород) вели себя хаотично и неупорядоченно, подобно жидкости. В то же время атомы железа оставались упорядоченными и образовывали твердый каркас. Коэффициенты диффузии углерода, водорода и кислорода в суперионных сплавах железа оставались такими же, как и в жидком железе.
«Это совершенно ненормально. Затвердевание железа на границе внутреннего ядра не изменяет подвижность этих легких элементов, а конвекция легких элементов во внутреннем ядре остается непрерывной», — комментирует Хэ Юй, автор исследования из Китайской академии наук.
Внутреннее ядро довольно мягкое и обладает низкой скоростью сдвиговой волны, что давно озадачивало ученых. Но обнаружение суперионного состояния ядра позволяет разгадать эту загадку. Ученые рассчитали сейсмические скорости в суперионных сплавах железа и обнаружили, что скорость сдвиговой волны действительно значительно снижалась. Результаты эксперимента согласуются с сейсмологическими наблюдениями. Это подтверждает наличие легких элементов во внутреннем ядре и его суперионное состояние, которое замедляет сдвиговые волны.
Ученые надеются, что понимание суперионного состояния внутреннего ядра поможет объяснить многие явления — от затухания сейсмических волн до структурных изменений внутреннего ядра за последние десятилетия.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
